第7章 交流电动机

1、第第7 7章章 交流电动机交流电动机 返回返回 交流电动机交流电动机 直流电动机：直流电动机： 三相电动机三相电动机 单相电动机单相电动机 异步机异步机 同步机同步机 他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励 电动机：电能转换成机械能电动机：电能转换成机械能 发电机：其他形式的能量转换成电能发电机：其他形式的能量转换成电能 电动机电动机 三相异步电动机：驱动各种金属切削机床、驱动各种金属切削机床、 起重机、锻压机、传送带等。起重机、锻压机、传送带等。 单相异步电动机：功率不大的电动工具和功率不大的电动工具和 某些家用电器。某些家用电器。 同步电动机：功率较大、不需调速、长期工功率较大、不需

2、调速、长期工 作的各种生产机械。作的各种生产机械。 直流电动机：均匀调速的生产机械，如：龙均匀调速的生产机械，如：龙 门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构。门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构。 使用电动机驱动生产机械可简化使用电动机驱动生产机械可简化 生产机械的结构、提高生产率、生产机械的结构、提高生产率、 能实现自动控制和远距离操纵能实现自动控制和远距离操纵 （1）基本结构）基本结构 （2）工作原理）工作原理 （3） 机械特性机械特性 （4）起动、制动、反转、调速的基本原理）起动、制动、反转、调速的基本原理 （5）应用场合和正确使用）应用场合和正确使用 机座机座：铸钢或铸铁铸钢或铸

3、铁 7.17.1 三相异步电动机的构造三相异步电动机的构造 转子转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势和感在旋转磁场作用下，产生感应电动势和感 应电流。应电流。 鼠笼转子鼠笼转子 (1) 鼠笼式转子鼠笼式转子 铁芯槽内放铜条，端铁芯槽内放铜条，端 部用短路环形成一体。部用短路环形成一体。 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。 (2) 绕线式转子绕线式转子 机座机座 定子绕组定子绕组 铭牌数据铭牌数据 出线端子出线端子 定子铁心 鼠笼型转子鼠笼型转子 转轴转轴 轴承轴承 转子转子 绕线型转子绕线型转子 铁心铁心 绕组绕组 转轴转轴 齿轮电动机的定子齿轮电动机的定子 （小于（小于500kW）

4、 绞车驱动的绞车驱动的 定子定子 (大于大于500kW) 牵引电动机的转子 铝壳电动机 小型木工机械、台钻、切割机、风机、小型木工机械、台钻、切割机、风机、 运输、建筑、食品加工等机械的驱动。运输、建筑、食品加工等机械的驱动。 钢板壳电动机 铸铁电动机 定子：定子：由机座、定子铁心和定子绕组组成。由机座、定子铁心和定子绕组组成。 转子：转子：转子铁心和转子绕组两部分构成。转子铁心和转子绕组两部分构成。 结构简单、价格低廉、工作可靠；结构简单、价格低廉、工作可靠； 不能人为改变电动机的机械特性。不能人为改变电动机的机械特性。 结构复杂、价格较贵、维护工作量结构复杂、价格较贵、维护工作量 大；转子

5、外加电阻可人为改变电动机的机械大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械 特性。特性。 n 0 n e i 7.27.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 N S f 磁铁磁铁 闭合闭合 线圈线圈 磁极旋转磁极旋转 导线切割磁感线产生感应电动势导线切割磁感线产生感应电动势 vlBe 导线长导线长磁感应强度磁感应强度切割速度切割速度 （右手定则）（右手定则） 闭合导线产生电流闭合导线产生电流 i （左手定则）（左手定则） 通电导线在磁场中受力通电导线在磁场中受力 ilBf n 0 n e i N S f 1. 线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转两者转动方向一致两者转动方向一致 异步异步 2

6、. 线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢 0 nn 7.2.1 旋转磁场旋转磁场 240sin 120sin sin tIi tIi tIi mC mB mA 1. 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 定子三相对称绕组通入定子三相对称绕组通入 三相对称交流电流（三相对称交流电流（Y） B i A X B Y C Z A i C i i C i A i B i o m I t A X B Y C Z A i B i C i 0 n A Y C B Z X ()电流出电流出 ( )电流入电流入 规定规定 i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首

7、端流出。 i C i A i B i o m I t C i B i A i i t A X Y C B Z A X Y C B Z A X Y C B Z N S 0 t 60t 0 n 60 90t 600 m I o S N SN 180t X B Z 0 n A Y C A 120t X Y CB Z 0 n 分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转 的磁场的磁场, 即：即： 定子作用：是产生旋转磁场。定子作用：是产生旋转磁场。 转子作用：是在旋转磁场作用下，转子作用：是在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或电流。产生感应电动势或电流。 可见，当定

8、子绕组中通入三相电流后，可见，当定子绕组中通入三相电流后， 它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变 而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。 A A X Y C B Z A A X Y C B Z 2. . 0t 60t 任意调换两根电源进线任意调换两根电源进线 (电路如图电路如图) C i A X B Y C Z A i B i N S N S i C i A i B i o m I t 3. 旋转磁场的极数旋转磁场的极数 1p 此种接法下，绕组的始端之间相差此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，度空间角， 合

9、成磁场只有一对磁极，则极对数为合成磁场只有一对磁极，则极对数为 1。 即：即： A X Y C B ZN S A X B Y C Z A i C i B i C Y A B C X Y Z A X B Z A i B i C i 若定子每相若定子每相绕组由两个线圈串联绕组由两个线圈串联，绕组的始端之，绕组的始端之 间相差间相差6060度度空间角，将形成空间角，将形成两对磁极的旋转磁场。两对磁极的旋转磁场。 极对数极对数 2p A X X A N S S N Z C Z C B Y B Y 旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关 p=1，每相一个绕组，绕组

10、始端之间相差 360/3=120 空间角。 p =2，每相两个绕组顺串，绕组始端之间相差 360/（2*3）=120 / 2=60 空间角。 p =3，每相三个绕组顺串，绕组始端之间相差 360/（3*3）= 120 / 3=40 空间角。 p =n，每相n个绕组顺串，绕组始端之间相差 360/(n*3)=120/ n 空间角。 4. 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 分）转 /( 10 60 fn A X Y C B Z N S 0t 0 n A X Y CB Z S N 60 60t A X Y C B Z N S 180t i C i A i B i o m I t p=1时时 分分）转转

11、/( 3000 0 n X N S A X A B ， Z C Y Z C Y B S N 0t 60t p=2时时 B i C i A i i t m I 0分分）转转/( 1500 2 60 1 0 f n 0 n 30 A X X Z C Z B Y B Y A C N S N S 旋转磁场转速旋转磁场转速 （同步转速）：（同步转速）： ）/( 60 1 0 分转 p f n 2p 180分）转/( 5001 1p 360分）转/( 0003 极对数极对数 每个电流周期每个电流周期 磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度 同步转速同步转速 )f(Hz50 1 3p120分）转/( 0001

12、 4p分分）转转/( 750 90 旋转磁场转速旋转磁场转速n0与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。 A X Y C B Z 分分）转转/( 60 1 0 p f n Blv Bli F v F 0 n N S 电动机转速电动机转速:n 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步异步电动机电动机 0 nn 无转距无转距 转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动 无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线） 无转子电流无转子电流 提示提示：如果如果 0 nn 转子和旋转磁场之间转子和旋转磁场之

13、间转速差转速差的存在，是异步电动机的存在，是异步电动机 转动的转动的必要条件。必要条件。 %100 0 0 n nn s 通常异步电动机额定运行时通常异步电动机额定运行时:%91）（s 电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 , 0sn （转差率最大）（转差率最大） 转差率表征转子转速比同转差率表征转子转速比同 步转速落后程度的物理量。步转速落后程度的物理量。 0 )(1nns 转子转速亦可由转差率求得：转子转速亦可由转差率求得： 7.2.3 转差率转差率 思考题思考题 说明三相异步电动机在何种情况下说明三相异步电动机在何种情况下 其转差率为下列数值其转差率为下列数值: (1)s=1; (2)0s1

14、; (3)s=0; (4)s0，s T T =T2 n T T 2 达到新的平衡达到新的平衡 T2 0 n n T O n U Tm U U Tst 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 20 2 1 m 2X U KT 20 2 m X R s 0 n N U T2 n T O st T T O n 0 n R2 Tst n max T 2 T 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 20 2 1 m 2X U KT 20 2 m X R s 硬特性硬特性 （R2小）小） 软特性软特性 （R2大）大） 0 T n 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性不同场

15、合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性 电机；重载起动则选软特性电机。电机；重载起动则选软特性电机。 112 PII 2 PT 答答: 22 ,IEsnT2 分析分析：三相异步电动机在额定电压下运行，当：三相异步电动机在额定电压下运行，当 负载转矩负载转矩 突然增大突然增大10%时，电动机下列时，电动机下列 参数参数 变化情况。变化情况。 1122 ,PITIEsn T2 7.5 7.5 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 7.5.1 起动性能起动性能 问题：问题：。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍倍; 电动机的起动电动机的起

16、动 7.5.2 起动方法：起动方法： （1） 直接起动直接起动 2030千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。 （2） 降压起动降压起动 Y 起动起动 自耦降压起动自耦降压起动 （3）转子串电阻起动）转子串电阻起动（绕线型电动机）。（绕线型电动机）。 以下介绍以下介绍 降压降压 起动和转子串电阻起动。起动和转子串电阻起动。 （鼠笼型电动机）（鼠笼型电动机） Z U I l l 3 : Y 星星形形联联结结时时 Z U I l l 3 三三角角形形联联结结时时： 3 1 Y l l I I 3 1 Yl I Z l U + U1 U2 V1 V1 W1 W2

17、 l I l U + Z U1 U2 V1V2 W1 W2 |Z| L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 动触点动触点 Y 动触点动触点 静触点静触点 L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 UP U1 + Ul + U2 V1 V2 W1 W2 工作工作 L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 U2 Ul + U1 V1V2 W1 W2 l UU 3 1 P (a) 仅适用于正常运行

18、为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )( 2 St UT (b) Y 起动起动 stst TI Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合 SYtst 3 1 TT Ul U1 W2 V2 W1 + U2 V1 UP + Ul + U1 W2 V2 W1 U2 V1 L1L3L2 FU Q Q2 R 12 2 20 2 20 )( st2 IIR XR E I R R 滑环滑环 电刷电刷 定子定子转子转子 起动电阻起动电阻 R2 Tst 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 22 RR st T T O n 0 n max T

19、2 R 2 R st T M 3 M 3 7.6 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 p f snsn 1 0 60 11 三种：改变电源频率三种：改变电源频率 ； 改变极对数改变极对数 ； 改变转差率改变转差率 。 1 f s p 调速：指在同一负载下，能得到不同的转速。调速：指在同一负载下，能得到不同的转速。 f=50Hz M 3 + 变频调速方法变频调速方法 恒转距调速（恒转距调速（f1f1N） 变频调速方法可实现无级平滑调速变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性调速性 能优异，因而正获得越来越广泛的应用。能优异，因而正获得越来越广泛的应用。 顺串联顺串联 ： 1,2,3接电源，接

20、电源， 4,5,6空空 p=2 低速低速 1 23 4 5 6 A X X 1 2 2 B1 A1 Y1B2Y2 C1 Z1 C2 Z2 反并联反并联Y： 4,5,6接电源，接电源， 1,2,3接一点接一点 p=1 高速高速 A1X1A2X2 ii P=2 A1 A2 X1 X2 N NS S A1X1A2X2 ii P=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，采用变极调速方法的电动机称作双速电机， 由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对 调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床 等机床上。等机床上。

21、A1 A2 X1X2 S N T n 0 n o 22 RR 2 R 2 R ( 变转差率调速是变转差率调速是绕线式电动机绕线式电动机特有的一种调速方法。特有的一种调速方法。 其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。 广泛应用于各种提升、起重设备中。广泛应用于各种提升、起重设备中。 n n TL TL s s T s 2 R 2 R o U1一定一定 m sR2实现调速实现调速 20 2 X R sm 7.7 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 制动：电动机断电后，制动：电动机断电后， 采取措施使其迅速停下来。采取措施使其迅速停

22、下来。 制动方法制动方法 机械机械制动制动 电气制动电气制动 能耗制动能耗制动 反接制动反接制动 发电反馈制动发电反馈制动 在在断开三相电源断开三相电源的同时，给电动机其中的同时，给电动机其中两相绕组通入直流两相绕组通入直流电电 流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子 旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。 n F 转子转子 T n0=0 + - 运转运转 制动制动 RP 制动转矩的大小与直流电流的大小有关。制动转矩的大小与直流电流的大小有关。 直流电流的

23、大小一般为电动机额定电流的直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.51倍。倍。 7.7.2. 反接制动反接制动 停车时，将电动机接停车时，将电动机接电源的任意两相电源的任意两相 运转运转 n F T n0 注意：注意： 反接制动时，定子旋转磁场与转子的反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速相对转速 很大很大。即切割磁感线的速度很大，造成。即切割磁感线的速度很大，造成转子电流转子电流 增大增大 ，引起，引起 定子电流增大定子电流增大。为限制电流，在制。为限制电流，在制 动时要在定子电路（鼠笼型）或转子电路（绕线动时要在定子电路（鼠笼型）或转子电路（绕线 型）中串电阻。型）中串电阻。 n=0时，

24、应及时断开电源，以防止反转。时，应及时断开电源，以防止反转。 7.7.3.发电反馈制动：发电反馈制动： 例如：起重机快速下放例如：起重机快速下放 重物时；重物时； 多速电动机从高速调多速电动机从高速调 到低速的过程中。到低速的过程中。 当电动机转子的转速当电动机转子的转速大于大于旋转磁场的转速时，旋旋转磁场的转速时，旋 转磁场产生的电磁转矩作用方向发生变化，由驱动转转磁场产生的电磁转矩作用方向发生变化，由驱动转 距变为制动转矩。电动机进入制距变为制动转矩。电动机进入制动状态，同时将外力动状态，同时将外力 作用于转子的能量转换成电能回送给电网。作用于转子的能量转换成电能回送给电网。 n F 转子

25、转子 T n0 n n0 磁极数磁极数( 极对数极对数 p = 2 ) 例如：例如： Y 132 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。 机座长度代号机座长度代号 机座中心高（机座中心高（mm） 三相异步电动机三相异步电动机 教材表教材表7.8.1中列出了各种电动机的系列代号。中列出了各种电动机的系列代号。 异步电动机产品名称代号异步电动机产品名称代号 接线盒接线盒 。通常。通常 联结联结电机容量电机容量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4 U2 U1W2 V1V2 W1 U1 U2 W2U2V2 V1W1U1 W1V1 W2V2 3. 电压：

26、电压： 额定运行时额定运行时定子定子绕组上应加的绕组上应加的线电压线电压. 说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。 线线 电电 压压 AZ B Y X C 线线 电电 压压 A B C X Y Z 例：例：380/220 Y/ 是指：线电压为是指：线电压为380V时采用时采用Y接法；接法； 当线电压为当线电压为220V时采用时采用 接法。接法。 11 IU NfU 111 44.4 电压波动对电动机的影响电压波动对电动机的影响 1 U 1 I 11 IU s 0 0 n nn s 2 E 202 sEE 2 I 1 I

27、1 Un 小 1 U 大 1 U T n I 4. 电流：电流：额定运行时额定运行时定子定子绕组的绕组的线电流。线电流。 如：如： A48. 6/A2 .11/ 表示三角接法下，电机的线电流为表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电，相电 流为流为6.48A；星形接法时线、相电流均为；星形接法时线、相电流均为6.48A。 5. 功率与效率：功率与效率： 额定功率指电机在额定运行时轴上额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率输出的功率 （ ），不等于从电源吸收的功率（），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的）。两者的 关系为：关系为： 2 P 1 P 12 PP COSIUP ll 3 1

28、 其中其中 鼠笼电机鼠笼电机 =7293 PN 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载 时约为时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。额定负载时，功率因数最高。 P2 cos O 0 N0 N n nn s 额额定定转转差差率率 指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为 A、E、B、F、H五级，五级，A级最低级最低(105C)，H级最级最 高高(180C)。 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。电机在额定电压、额定负载下运行时的

29、转速。 例例1：Y225M-4型三相异步电动机的额定技术数据如下：型三相异步电动机的额定技术数据如下： 功率功率转速转速电压电压效率效率 功率因功率因 数数 Ist/ IN Tst /TN Tm/ TN 45 kW 1480 r/min 380V9 2 . 3 % 0.8871.92.2 电源频率电源频率50Hz。试求。试求:(1)额定转差率额定转差率sN ; (2)额定电流额定电流 IN ; (3) 额定转矩额定转矩TN;(4)起动电流起动电流Ist; (5) 起动转矩起动转矩Tst; (6)最大转矩最大转矩 Tm; 解解: (1)额定转差率额定转差率sN n0=1500r/min p=2

30、sN =(n0 -n)/ n0 = (1500-1480)/1500 = 0.013 cos3 N N N U P I A2 .84 88. 0380%3 .923 1045 3 (2)额定电流额定电流 IN (3) 额定转矩额定转矩TN mN4 .290 1480 45 95509550 N N N n P T (4)起动电流起动电流Ist A4 .5892 .8477 Nst II (5) 起动转矩起动转矩Tst mN8 .5514 .2909 . 1 N N st st T T T T mN9 .6384 .2902 . 2 N N m m T T T T (6)最大转矩最大转矩 Tm 例例2：在上题中：在上题中: (1)如果负载转矩为如果负载转矩为510.2N.m, 试问在试问在U=UN和和U=0.9UN两种情况下电动